第一作者：Simon Hollerith
通讯作者：Jun Rui
通讯单位：马克斯·普朗克量子光学研究所
研究亮点：
1. 设计了一套巧妙的实验装置，利用量子气显微镜观测Rydberg巨型分子
2. 发现分子键长可以达到700 nm的极限
定量分析分子结构有多难
结构决定性质，定量分析分子结构是深入理解其性质的关键。然而，定量分析分子结构并非易事，一般情况下，双原子分子的亚纳米级尺寸使得光无法直接接触到分子，常用的工具主要是通过量子调控或者超冷温度。1997年，朱棣文就因为“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”而荣获诺贝尔物理学奖。
巨型分子有多厉害
2009年以来，科学家发现在Rydberg态下，原子呈现出几乎电离但又不完全电离的情况。这使得电子离原子核相对较远，因此处于这种状态的两个原子可以形成相当长的键，比普通双原子分子的键长要长10000倍左右。不过，对于Rydberg态巨型分子的观测仅仅局限于超冷激光或者脉冲场离子化，还无法实现振动和空间分辨的观测。
成果简介
有鉴于此，马克斯·普朗克量子光学研究所Jun Rui团队通过激发沿光学晶格对角线的超冷铷原子对，详细观察了Rydberg态巨型分子的结构。
图1. 实验示意图
要点1：巧妙的实验设计
研究人员设计了一套巧妙的实验装置，通过激发沿光学晶格对角线的超冷铷原子对，通过量子气显微镜实现了对双原子分子在Rydberg状态下的直接显微观察。基于量子气显微镜的位点分辨率和单原子灵敏度，研究人员认为，所观测到的巨型分子信号来源于键长距离处一对基态原子的丢失。
图2. Rydberg巨型分子的成像，以及晶格上的分子取向
要点2：精确的谱学分析
利用光谱法分析了分子的振动态结构，研究人员通过双光子光谱探测振动能级，解析了超过50个激发振动共振，光谱数据与从头计算结果相匹配。结果表明，Rydberg巨型分子的键长超过700 nm，与小型细菌的尺寸相当。
图3. 高分辨谱图
小结
总之，这项研究为巨型分子偶联用于量子门控提供了全新的可能，并可进一步扩展到多原子约束态，为观测到更加新颖的多体物理现象提供了新思路。
参考文献：
SimonHollerith, Jun Rui et al. Quantum gas microscopy of Rydberg macrodimers.Science 2019, 364, 664-667.
https://science.sciencemag.org/content/364/6441/664
